DE4123711C2 - Verfahren zur Vermeidung der Bildung von Niederschlägen nach dem Beenden eines Plasma-Trockenätzens und Verfahren zum Plasma-Trockenätzen von Halbleiter-Substrat-Scheiben - Google Patents

Verfahren zur Vermeidung der Bildung von Niederschlägen nach dem Beenden eines Plasma-Trockenätzens und Verfahren zum Plasma-Trockenätzen von Halbleiter-Substrat-Scheiben

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Description

Integrierte Schaltungen werden auf Halbleiter-Substrat­ scheiben aus Silizium durch eine Reihe von Schichtungs-, Musterungs- und Dotierungsschritten gebildet. Die Muster­ gebung beinhaltet typischerweise ein photolithographisches Verfahren, bei dem eine Schicht eines Photolacks aufge­ bracht und dann in einem Maskierschritt selektiv ent­ fernt wird. Dadurch werden diejenigen Bereiche in der oberen Schicht der Scheibe freigelegt, die entfernt oder weggeätzt werden sollen.
Das Ätzen erfolgt entweder unter Verwendung eines chemischen Naß-Ätzmittels oder unter Verwendung eines Trocken-Ätzverfahrens. Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit Trocken-Ätzverfahren. Der Begriff "Trockenätzen" steht als kollektive Definition für jegliche Art von Plasma-Ätzen, wie Ätzen mit reaktiven Ionen (RIE), magnetisch verstärktes Ionen-Ätzen (MIE), Elektrozyklotron-Resonanz-Ätzen (ECR), sowie magnetisch begrenztes Zyklotron-Resonanz- Ätzen (MCR).
Beim Plasma-Ätzen kann gleichzeitig eine Ätzung sowohl in Folge von Ionenbombardement als auch in Folge von chemischer Reaktion des Ätzmittels mit der Oberfläche der Halbleiterscheibe auftreten. Für Plasma-Ätzen mittels SF₆ ist dies berichtet in J. Appl. Phys. 67 (8), 15. 4. 1990, Seiten 3862-3866.
Aus Appl. Phys. Lett. 52 (8), 22. 2. 1988, Seiten 616-618 ist einerseits bekannt, daß das Ätzen aufgrund des Ionenbombardements der Halbleiterscheibe in Beschleunigungsrichtung der Ionen, also senkrecht zur Oberfläche der Halbleiterscheibe, verläuft, während die damit einhergehende chemische Ätzung, verursacht von Radikalen, also neutralen Atomen, des Ätzmittels richtungsunabhängig vonstatten geht. Andererseits ist aus dieser Druckschrift bekannt, daß man das chemische Ätzen, das auch zu Seitenätzen führt, also zu Ätzen in Richtungen parallel zur Oberfläche der Halbleiterscheibe, dadurch reduzieren kann, daß man die Temperatur der Halbleiterscheibe auf sehr niedrigen Temperaturen im Bereich von -130°C bis -100°C hält. Dadurch erreicht man anisotropes Ätzen senkrecht zur Oberfläche der Halbleiterscheibe unter starker Reduzierung des Seitenätzens.
Aus der US-PS 4 859 304 ist bekannt, einen eine Halbleiterscheibe haltenden Zentralbereich einer Anodenplatte einer zum Trockenätzen verwendeten Plasmakammer zu kühlen, nicht jedoch den nicht von der Halbleiterscheibe bedeckten Randbereich der die Halbleiterscheibe haltenden Anodenplatte. Damit sollen unerwünschte Ablagerungen des Ätzmittels auf dem Randbereich der Anodenplatte vermieden werden.
Aus der US-PS 4 579 623 ist es bekannt, im Zusammenhang mit Plasma-Ätzen das für dieses Ätzen verwendete SF₆ zusammen mit weiteren Gasen, nämlich N₂, He, H₂ in den Plasmareaktor einströmen zu lassen und das Einströmen von SF₆ während des Ätzvorgangs periodisch für eine bestimmte Zeitdauer zu unterbrechen. Während SF₆ einströmt, findet ein Plasma-Ätzen statt. Während nur die anderen Gase einströmen, bildet sich auf der Silizium-Oberfläche der Halbleiterscheibe eine dünne Siliziumschicht. Diese wird während des jeweils anschließenden Plasma-Ätz-Intervalls infolge des die Plasma-Ätzung bewirkenden Ionenbombardements von der zu ätzenden Silizium-Oberfläche entfernt. Die im Plasma enthaltenen Radikalen des Ätzmittels sind nicht dazu in der Lage, die Siliziumnitridschicht zu beseitigen. Die Siliziumnitridschicht bleibt daher an den Seitenwänden des Ätzbereichs bestehen, wodurch ein Seitenätzen unterbunden wird.
Aus Appl. Phys. Lett. (26), 26. 6. 1989, Seiten 2698-2700 und der US-PS 4 863 561 ist es bekannt, im Zusammenhang mit Plasma-Ätzen bzw. Ätzen mit angeregten Gasen, eine Reinigung der Ätzkammer durchzuführen. In Appl. Phys. Lett. 54 (26), 26. 6. 1989, Seiten 2698-2700, die sich mit Messungen der Ätzgeschwindigkeit beim Plasma-Ätzen befaßt, wird berichtet, daß die Ätzkammer vor der Durchführung der Ätzung gründlich gereinigt worden ist, um mögliche Quellen von Silizium ätzenden Mitteln auszuschalten, welche das Meßergebnis beeinträchtigen könnten. Aus der US-PS 4 863 561, die sich mit der Oberflächenreinigung von Siliziumscheiben befaßt, ist es bekannt, die Ätzkammer nach einer geeigneten Ätzdauer mittels eines Gases wie N₂ zum Zweck der Reinigung zu spülen. Während der reinigenden Spülung ist der Plasmagenerator abgeschaltet.
Man kann zusammenfassen: Durch Reduzierung der Temperatur der Scheibe während eines Trockenätz-Vorgangs wird (a) die Selektivität, d. h. die Auflösungsgüte der Selektivität, des Resist gesteigert; (b) die Selektivität gegenüber anderen Schichten gesteigert; und (c) die Seitenwand-Passivierung verbessert und dadurch eine Photoresist-Unterschneidung verhindert sowie anisotropes Ätzen gefördert. Der Begriff "Selektivität" steht als Definition für die Entfernung des darunterliegenden Materials bzw. der darunterliegenden Schicht. Je besser die Selektivität für ein bestimmtes Material ist, desto weniger ungenau wird dieses Material unter den gegebenen Ätzbedingungen geätzt. Unter "Seitenwandpassivierung" versteht man die Kombination des reaktiven Ätzmittels mit den Seitenwänden der Öffnung des Substrat-Materials bei Fortschreiten des Ätzvorgangs hinab in eine gewünschte Schicht. Auf diesen Seitenwänden bildet sich eine Schicht, die das Ätzen in seitlicher Richtung verzögert, wodurch im wesentlichen gerade (vertikale) Seitenwände erzeugt werden. Diese filmartige Schicht wird in einem späteren Verarbeitungsschritt nach Beendigung des Ätzvorgangs entfernt.
Bei den meisten Trocken-Ätzverfahren ist es daher wünschenswert, die Scheibe auf einer sehr geringen Temperatur zu halten, um die vorstehend genannten Vorteile zu maximieren. Die derzeit üblicherweise verwendete niedrigste praktikable Kühltemperatur liegt bei ca. 20°C, und zwar aufgrund eines allgemein bekannten Effekts, den man als durch niedrige Temperatur bedingten, nach dem Ätzen verbleibenden Niederschlag bezeichnet. Dieses bekannte Phänomen wird bei Temperaturen unter 20°C zu einem Problem und wird bei Temperaturen von 0°C und weniger sehr ausgeprägt.
Dieser Niederschlag resultiert aus Reaktions- Nebenerzeugnissen, die sich aus den Ätzmaterialien bilden, nachdem die Leistungszufuhr zu dem Reaktor bei Beendigung des gewünschten Ätzvor­ gangs abgeschaltet worden ist. Wenn die Leistungs­ zufuhr zu dem Reaktor abgeschaltet wird, wird die Vorderseite bzw. die belichtete Seite der Scheibe nicht länger durch Plasma erwärmt. Außerdem erhalten die Reaktions-Nebenerzeugnisse keine Erregung mehr aus Elektronen-Kollisionen im Plasmazustand. Aus diesem Grund werden die Bedingungen für den Niederschlag von Verbindungen aus der Gasphase auf der abgekühlten Scheibe äußerst günstig.
Bei einigen Ätzmaterialien resultieren die Reaktions-Nebenerzeugnisse aus der Reaktion der Ätzmaterialien miteinander, die bei Abschalten des Stroms dann lediglich auf der kalten Scheibenoberfläche kondensieren. Bei anderen Ätzmitteln ergeben sich die unerwünschten Niederschläge aus einer Reaktion des Ätzmaterials mit dem Material auf der Substrat-Scheibe bei Unterbrechung bzw. Abschalten der Strom- bzw. Leistungszufuhr. Beide dieser Reaktionen sind höchst unerwünscht je niedriger die Temperatur ist, auf die die Scheibe abkühlt, desto günstiger werden die Bedingungen für diesen nachteiligen Niederschlag.
Fig. 2 zeigt eine mikroskopische Perspektiv­ ansicht einer Silizium-Substrat-Scheibe unter Darstellung des Effekt eines durch niedrige Temperatur bedingten, nach dem Ätzen ver­ bleibenden Niederschlags. Es ist eine Silizium- Scheibe 10 nach Beendigung eines Niedrig­ temperatur-Ätzvorgangs dargestellt. Die Scheibe 10 beinhaltet eine Reihe leitfähiger Rippen bzw. Schienen 12, 14, 16 und 18. Auf der oberen Oberfläche der Rippen 12, 14, 16 und 18 befindet sich eine Schicht eines Photoresist 18a, 18b, 18c bzw. 18d. Die Räume zwischen den Rippen sind zur Bildung von Kanälen 22, 24 und 26 weggeätzt worden. Bei der mit dem Bezugszeichen 28 bezeichneten Materialmasse handelt es sich um einen unerwünschten, nach dem Ätzen vorhandenen Niederschlag. Dieser Zustand wurde bei einer Ätzung mit niedriger Temperatur erzielt. Ein Beispiel für die Konditionen eines derartigen Zustandes ist eine Ätzung in einem Elechtro­ tech-Omega-II-RIE-Reaktor, wobei die Temperatur unter der Scheibe auf minus 10°C gehalten wird, ein erster Ätzschritt bei ca. 16 Pa, 140 W, 80 sccm (sccm: standard cubic centimeters per minute = cm3/min. bei Standardbedingungen, d.h. Raumtemperatur und normalem Druck) SF6 und 11 sccm Ar für zwei Minuten 45 Sekunden aus­ geführt wird, wobei dies von einem zweiten Ätz­ schritt bei ca. 14,7 Pa, 100 W und 50 sccm Cl2 für eine Minute 15 Sekunden gefolgt wird.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung von Verfahren, bei dem sich ein durch Trocken­ ätzen bei niedriger Temperatur bedingter Nieder­ schlag auf einer Halbleiter-Substrat-Scheibe verhindern läßt und sich der Trocken-Ätzvorgang dadurch bei niedrigeren Temperaturen ausführen läßt.
Erfindungsgemäße Lösungen dieser Aufgabe ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 1 und 4.
Grundidee der Erfindung ist es, die Gase, die sich bei herkömmlichen Verfahren von Trockenätzung bei niedrigen Temperaturen nach dem Abschalten des Plasma-Generators auf kühlen Oberflächen, auch der gekühlten Halbleiterscheibe, störend niederschlagen, nach Beendigung des Ätzvorgangs solange im Plasmazustand zu halten, bis diese ansonsten zu Niederschlägen führenden Gase durch Absaugen aus der Ätzkammer oder durch Herausspülen aus der Ätzkammer mittels eines spülenden Reinigungsgases aus der Ätzkammer entfernt sind. Zu diesem Zweck wird der Plasmagenerator nicht, wie bei herkömmlichen Verfahren, nach Beendigung des Ätzvorgangs abgeschaltet sondern bleibt unter Zufuhr einer Mindestleistung eingeschaltet, welche die Reaktionsgase im Plasmazustand hält, bis der Vorgang des Absaugens oder Herausspülens dieser Reaktionsgase aus der Ätzkammer beendet ist.
Die Erfindung und Weiterbildungen der Erfindung werden im folgenden anhand der zeichnerischen Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbei­ spiels noch näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine mikroskopische Perspektiv-Ansicht einer Silizium-Substrat-Scheibe, die gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung geätzt worden ist, und
Fig. 2 eine mikroskopische Perspektiv-Ansicht einer Ätzung gemäß dem Stand der Technik unter Darstellung des Effekts eines durch Trockenätzen bei niedriger Temperatur bedingten Niederschlags, wie dies eingangs erläutert wurde.
Die Erfindung offenbart ein bevorzugtes Verfahren zum Trockenätzen einer Schicht auf einer Halbleiter-Substrat-Scheibe innerhalb eines Reaktors mit einer Kühleinrichtung zum Kühlen einer in diesem positionierten Scheibe.
Bei diesem Verfahren wird als erstes eine Scheibe innerhalb des Reaktors positioniert. Es wird wenigstens ein Reaktionsgas in den Reaktor eingeleitet, wobei dieses Reaktionsgas in seinem Plasmazustand mit dem Material auf der Scheibe reagiert. Dem Reaktor wird eine vorbe­ stimmte Menge elektrischer Leistung für eine vorbestimmte Zeitdauer zugeführt, um die gewünschte selektive Ätzung der Schicht zu erzielen.
Bei Beendigung des gewünschten Ätzvorgangs wird die Einleitung des Reaktionsgases in den Reaktor gestoppt, während dem Reaktor weiterhin eine gewisse minimale Menge elektrischer Leistung zugeführt wird, um die darin vorhandenen Gase bzw. das Ätzmaterial im Plasmazustand zu halten. Bei einem Elechtrotech-Omega-II-RIE-Reaktor ist diese minimale Leistungsmenge typischerweise etwas größer oder gleich ca. 50 W.
Es wird nun ein anderes Spül- oder Reinigungsgas in den Reaktor einge­ leitet, nachdem die Einleitung des Reaktionsgases gestoppt worden ist, jedoch die minimale Menge elektrischer Leistung weiterhin dem Reaktor zu­ geführt wird. Dieses Reinigungsgas sollte im wesentlichen inert gegenüber dem Material der Schicht bzw. Scheibe sein, um ein signifikantes weitergehendes Ätzen zu vermeiden. Lediglich als Beispiel sei hier erwähnt, daß es sich bei diesem inertem Gas um irgendeines der Edelgase, N2, oder Gemische derselben handeln kann. Die Einleitung des Reinigungsgases sollte über eine Zeitdauer erfolgen, die aus­ reichend ist, um das Reaktorvolumen von dem Reaktionsgas bzw. den Reaktionsgasen im wesent­ lichen zu säubern, während dabei die minimale Menge elektrischer Leistung zugeführt wird.
Dies verhindert, daß sich die reaktionsfähigen Nebenerzeugnis-Gase auf dem Substrat nieder­ schlagen.
Gemäß der Erfindung umfaßt ein Verfahren zum Verhindern der Bildung eines durch Plasma-Trockenätzen bei niedrigen Temperaturen bedingten Niederschlags auf einer Halbleiter- Substrat-Scheibe folgende Schritte:
  • a) Beendigung der Einleitung von Reaktions­ gas ins Innere eines Trockenätz-Reaktors bei im wesentlichen erfolgtem Abschluß eines selektiven Ätzvorgangs unter Aufrechterhaltung der Zufuhr einer aus­ reichenden Leistung zu dem Reaktor, um die darin noch befindlichen Gase im Plasmazustand zu halten; und
  • b) Ausleiten eines beträchtlichen Teils der Reaktionsgase aus dem Reaktor vor der Reduzierung der Leistungszufuhr zu dem Reaktor auf weniger als die Leistung, die zum Halten der in dem Reaktor vorhandenen Gase im Plasmazustand aus­ reichend ist.
Bei dem vorstehend erläuterten Verfahren erfolgt diese Ausleitung durch Zufuhr eines inerten Reinigungsgases zum Ausspülen des oder der Reaktionsgase aus dem Reaktor. Fig. 1 zeigt eine Halbleiter-Scheibe, die nach dem vorstehend genannten Verfahren geätzt worden ist. Bei der dargestellten Scheibe 30 handelt es sich um eine mit derselben Konfiguration wie die in Fig. 2 gezeigte Scheibe. Wie in der Zeichnung zu sehen ist, ist in keinem der Kanäle 22, 24 oder 26 nach dem Ätzvorgang ein Niederschlag vorhanden. Erzielt wurde dieses Profil unter Verwendung derselben Gerätschaften wie für die in Fig. 2 gezeigte Ätzung, bei der die Scheibe auf minus 10°C gekühlt wurde. Das erfin­ dungsgemäße Verfahren bestand aus den folgenden drei Schritten:
Zuerst wurden bei ca. 16 Pa und mit 140 W eine Menge von 80 sccm SF6 und 11 sccm Ar für eine Zeitdauer von zwei Minuten 45 Sekunden eingeleitet. Als zweites wurden bei ca. 14,7 Pa und mit 100 W 50 sccm Cl2 für eine Zeitdauer von einer Minute fünfzehn Sekunden eingeleitet. Als drittes wurden dann bei ca. 13 Pa und mit 100 W 50 sccm Ar für eine Zeitdauer von einer Minute dreißig Sekunden eingeleitet. Das im dritten Schritt verwendete Argon hatte dabei die Funktion des inerten Reinigungsgases.
Gemäß einer Variante der Erfindung erfolgt die Ausleitung des Reaktionsgases durch Aufrechterhaltung einer Vakuum-Saugkraft in einer mit dem Reaktor kommunizierenden Absaugöffnung, während die Einleitung von Gasen in den Reaktor im wesentlichen zu Ende gegangen ist. Trocken-Ätzreaktoren beinhalten Vakuum-Öffnungen zum Absaugen des verbrauchten Ätzmaterials aus dem Reaktor im Verlauf des Ätzvorgangs. Es wäre auch möglich, einen beträchtlichen Teil der Reaktionsgase bei Beendigung des Ätzvorgangs aus dem Reaktor einfach dadurch auszuleiten, daß man diese Vakuum-Saugkraft nach Beendigung der Gaseinleitung einfach aufrecht­ erhält und man dabei eine ausreichende Leistung zuführt, um das übrige Ätzmaterial im Plasma­ zustand zu halten. Es ist jedoch zu erwarten, daß dieses zuletzt beschriebene Verfahren zum Entfernen jeglicher Rückstände reaktionsfähigen Ätzmaterials nicht so wirksam ist wie bei einem mit einem inertem Gas er­ folgten Reinigungs- bzw. Ausspülvorgang. Jedoch wird auch bei diesem Verfahren ein beträchtlicher Teil des reaktionsfähigen Ätzmaterials entfernt, so daß ein positiver Effekt hinsichtlich der Verminderung von nach dem Ätzen vorhandenen Niederschlägen erzielt wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Abkühlung der Scheiben auf Temperaturen von gut unter 20°C ermöglicht, wodurch die Selektivität und die Seitenwand-Passivierung günstig beein­ flußt werden. Erwartungsgemäß bleiben die offenbarten Verfahrensweisen bis zu Temperaturen von wenigstens minus 70°C und vielleicht noch geringeren Temperaturen wirksam.

Claims (9)

1. Verfahren zur Vermeidung der Bildung eines nach dem Beenden eines Plasma-Trockenätzens bei niedrigen Temperaturen durch die niedrigen Temperaturen bedingten Niederschlags auf einer Halbleiter- Substrat-Scheibe, mit folgenden Schritten:
  • - Beendigung der Einleitung von Reaktionsgas ins Innere eines Trockenätz-Reaktors bei im wesentlichen erfolgtem Abschluß eines selektiven Ätzvorgangs unter Aufrechterhaltung der Zufuhr einer minimalen Leistung zu dem Reaktor, um die darin befindlichen Gase im Plasmazustand zu halten;
  • - Ausleitung einens beträchtlichen Teils des Reaktionsgases aus dem Reaktor unter Aufrechterhaltung der Zufuhr einer minimalen Leistung zu dem Reaktor, um die darin befindlichen Gase im Plasmazustand zu halten; und
  • - Reduzierung der Leistungszufuhr zu dem Reaktor auf weniger als die minimale Leistung, die zum Halten der in dem Reaktor vorhandenen Gase im Plasmazustand ausreichend ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausleitung des Reaktionsgases aus dem Reaktor eine Vakuum-Saugkraft in einer mit dem Reaktor kommunizierenden Absaug-Öffnung aufrechterhalten wird, während die Einleitung von Reaktionsgas in den Reaktor im wesentlichen beendet ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausleitung des Reaktionsgases aus dem Reaktor ein inertes Reinigungsgas in den Reaktor eingeleitet wird, während die Einleitung des Reaktionsgases im wesentlichen beendet ist, um das Reaktionsgas aus dem Reaktor auszuspülen, wobei das inerte Reinigungsgas gegenüber dem Material auf der Scheibe inert ist.
4. Verfahren zum Plasma-Trockenätzen einer Schicht auf einer Halbleiter- Substrat-Scheibe bei einer niedrigen Temperatur innerhalb eines Reaktors, der eine Kühleinrichtung zum Kühlen der im Inneren des Reaktors positionierten Scheibe aufweist, mit folgenden Schritten:
  • - Positionieren der Scheibe im Inneren des Reaktors;
  • - Einleiten wenigstens eines Reaktionsgases ins Innere des Reaktors, wobei das Gas mit dem Material der Schicht auf der Scheibe reagiert, wenn es sich in seinem Plasmazustand befindet,
  • - Zuführen einer vorbestimmten Menge elektrischer Leistung zu dem Reaktor mit der darin befindlichen Scheibe für eine vorbestimmte Zeitdauer zur Erzielung einer gewünschten Trockenätzung der Schicht;
  • - Stoppen der Einleitung des Reaktionsgases ins Innere des Reaktors bei Abschluß der gewünschten Ätzung, während dem Reaktor eine gewisse minimale Menge elektrischer Leistung zugeführt wird, um die zu diesem Zeitpunkt im Reaktor vorhandenen Gase im Plasmazustand zu halten;
  • - Einleiten eines Reinigungsgases in den Reaktor nach dem Stoppen der Einleitung des Reaktionsgases sowie während der Zufuhr der minimalen Menge elektrischer Leistung zu dem Reaktor, wobei das Reinigungsgas gegenüber dem Material der Schicht auf der Scheibe im wesentlichen inert ist;
  • - Fortsetzen der Einleitung des Reinigungsgases für eine ausreichende Zeitdauer, um den Reaktor von dem Reaktionsgas im wesentlichen zu reinigen, während weiterhin die minimale Menge elektrischer Leistung zugeführt wird; und
  • - Reduzierung der Leistungszufuhr zu dem Reaktor auf weniger als die minimale Leistung, die zum Halten der in dem Reaktor vorhandenen Gase im Plasmazustand ausreichend ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe während des Ätzvorgangs mittels der Kühleinrichtung auf eine Temperatur von weniger als 20°C gekühlt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe während des Ätzvorgangs mittels der Kühleinrichtung auf eine Temperatur von weniger als oder gleich ca. 0°C gekühlt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe während des Ätzvorgangs mittels der Kühleinrichtung auf eine Temperatur zwischen ca. 0°C und -70°C gekühlt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die minimale Menge elektrischen Leistung etwas größer als oder gleich ca. 50 W ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Reinigungsgas aus der Gruppe bestehend aus den Edelgasen und N₂ sowie deren Mischungen gewählt ist.
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